第三章-计算机的硬件电路基础.

教学目的和要求通过本章的学习，使大家了解触发器、寄存器的工作原理，了解总线结构，了解存储器结构及其工作原理。第二章微型计算机的基本组成电路教学重点触发器寄存器总线结构本章学习一些典型电路，为学习计算机原理奠定基础。常见的基本电路部件：算术逻辑单元（ArithmaticLogicalUnit,ALU）、触发器（Trigger）、寄存器（Register）、存储器（Memory）、总线结构以及“控制字”的概念。了解内容：基本电路部件内部结构及其工作原理。2.1算术逻辑单元（ALU）ALU是进行二进制数四则运算、布尔代数的逻辑运算部件。其符号如图2-1所示.ALUcontrolBAS图2-1ALU的符号2．2触发器（Trigger）触发器是记忆装置的基本单元，可以用触发器组成寄存器，也可用触发器组成存储器。本节将介绍的触发器有：RS、D和JK触发器。着重了解各类触发器的特点及不同点。2．2．1RS触发器RS触发器可以用两个与非门组成，如图2-2所示。图2-3是RS触发器的符号.图2-2RS触发器图2-3RS触发器的符号SRQQQQSRS、R不能同时为零；否则，RS触发器处于不稳定状态。S=0，R=1时，Q=0（Q=1）称为复位；R端称为复位端S=1，R=0时，Q=1（Q=0）称为置位；S端称为置位端2．2．2D触发器D触发器只有一个输入端,其原理如图2-5所示.图2-5D触发器DSQQ时标D触发器图2-6时标D触发器RSQQDCLKR在正半周前沿，才有可能使触发器翻转。触发器电路如图所示。DRSQQCLKARCA图边沿D触发器边沿D触发器PRESET(预直)CLEAR(清零)CLKDSRQQ带置位D触发器如图所示图带置位D触发器触发器的符号图2-9所示.DDDPRCLRQQCLKCLKQQPRCLRCLKQQCLRPR图2-9正负边缘的D触发器符号2．2．3JK触发器JK触发器是组成计数器的理想记忆元件，JK触发器的电路原理如图所示。RSQQJKCLK图JK触发器电路原理RSQQJKCLK图JK触发器电路原理JKQ动作00保持不变自锁状态010复位101置位11原态的反码翻转JK触发器的工作过程是:2.3寄存器R寄存器是由触发器组成的。有许多寄存器,因其作用不同,给了其不同名字。常见的器有：缓冲R：用于暂存数据移位R：寄存器中的数据能够向左或向右移。计数器：能够累计时钟脉冲数。累加器A：在计算机中,使用最多的一个寄存器。下面分别介绍这些寄存器的工作原理。2．3．1缓冲R（BufferRegister）图是一个4位缓冲寄存器的电路原理图。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3CLKCLKCLKCLKCLKCLRX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3图4位缓冲寄存器的电路原理图可控缓冲寄存器是在缓冲寄存器的基础上，在输入端增加了一个“装入门L”，其电路图如图所示。D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X0X1X2X3LCLKCLR图可控缓冲寄存器≥1≥1≥1≥1D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3X3X2X1X0LCLKCLR图2-14可控缓冲寄存器≥1≥1≥1≥1L门的作用：L为高电平时，数据可装入；低电平时，数据自锁在其中。在讲计算机原理时，经常会用到L门。要记L门的作用。可控缓冲寄存器的符号如图示。图可控缓冲寄存器的符号XLOADCLKCLRQ2．3．2移位R（ShiftingRegister）移位寄存器能将输入的数据在其内部逐位向左或向右移动，移位寄存器原理图如图所示。D3D2D1D0DinQ3Q2Q1Q0CLK(a)左移寄存器(b)右移寄存器D3Q3D2Q2D1Q1D0Q0CLKDin2．3．3计数器（Counter）计数器的特点是能把贮存在其中的数字加1。计数器的种类有很多：如,行波计数器、同步计数器、环形计数器和程序计数器等。（1）行波计数器（TravellingWaveCounter）行波计数器电路原理图如图所示。J0K0J1K1J2K2J3K3Q3Q2Q1Q0CLKCLR图行波计数器电路原理CLRCLKQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3行波计数器波形图行波计数器的工作原理是在时钟的边缘到来时开始计数，由右边第一位开始，要一位一位的向前推进。12345678KJ行波计数器实际上是一个加一计数器(2)环形计数器（RingCounter）特点：任一时刻，计数器的输出，只有一位为高电平，其余各位都为低。环形计数器主要用来发出顺序控制信号，环形计数器原理图如下所示。Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0CLRCLRCLRPRCLRCLK图环形计数器原理图CLRCLKD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3PRCLRCLRCLRCLRCLKQ0Q1Q2Q3图环形计数器原理图环形计数器工作波形图CLKCLRQ5Q4Q3Q2Q1Q0环形计数器图环形计数器的符号(3)程序R(ProgramCounter）程序计数器是一个可预置数行波计数。程序计数器的符号如图所示。COUNT为计数端，LOAD为置数端，XYCOUNTLOADCLR图程序计数器符号PC2.3.4累加器（Accumulator）累加器在CPU内部，是一个非常重要的寄存器，其符号如图所示。XYLOADCLKSHLSHRCLR图累加器的符号2.4三态输电路三态门广泛应用于计算机内部总线结构中。利用三态门，多个不同的单元的信息可以用一条传输线分时进行传输。三态输出电路如图所示。E（ENABLE）ABVDD≥1≥1EAB00高阻01高阻100111图三态输出电路三态门符号如下图所示。三态门符号(a)(b)L门：专管对寄存器的装入数据的控制；E门：专管由寄存器输出数据的控制；总线结构的输入/输出采用了L门和E门的结构，使计算机的信息传递线路简单化。EE2．5总线结构通过总线结构示意图，来说明不同单元之间的信息的交换过程。请看下图总线结构原理图。ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA总线结构框图ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图控制字CON：将各寄存器的L门和E门按次序排成一行。即：CON=LAEALBEBLCECLDED为避免信息在公共总线W中乱窜，规定某一时钟节拍（CLK为正半周），只有一个寄存器L门和另一个寄存器E门为高电位，其余各门则必须为低电位。ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图例：数据由A到B、数据由D到A、数据由C到B，求它门的控制字解：①数据由A到B的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED=？=0110，0000ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图解：②数据由D到A的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED=？=1000，0001ACBDWEACLKCLKCLKCLKLBEBLCECLDEDLA图总线结构框图解：③数据由C到B的控制字CON=LAEALBEBLCECLDED=？=0010，0100第四节存储器半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）存储器由寄存器组成，每个存储单元相当于一个缓冲寄存器。每个存储单元由若干位（BIT）组成，8位存储单元称为一个字节（BYTE），16位存储单元称为一个字（WORD）。一个存储器可以存放很多数据，每个存储单元都有一个固定地址。例如，一个8×4存储器如图所示，其中“8”表示该存储器的容量，即该存储器有8个存储单元。“4”表示每个存储单元能存储4位二进制代码。R0R1R2R3R4R5R6R7译码器A0A1A2D0D1D2D3图8*4的存储器地址线数n可编译的地址号数24（22）8256（28）101024=1K（210）1664*1K=64K（216）201024*1K=1M（220）301024*1M=1G（230）表地址线与地址数对照表根据二进制编码原理，除地线共用之外，n根地址线可以译成2n个地址号。R0R1R2R3R4R5R6R7译码器A0A1A2D0D1D2D3图8*4的存储器示意图A2A1A0R000R0┅┅┅┅111R7存储器各单元地址存储器的通用表示方法：M×N例如：256×8、1K×4、64K×8，等。存储器分为两大类：只读存储器ROM)和随机存取存储器RAM(randomaccessmemory)。随机存储器RAM(randomaccessmemory)RAM称读写存储器，RAM的每一个存储单元相当于一个可控缓冲器。1、RAM的材料用磁芯作为记忆元件，防止掉电失去记忆能力，体积较大。用集成电路制成的记忆元件，容量大，体积小，但掉电失去记忆。2、静态RAM及动态RAM静态RAM用触发器保存信息，只要加电于触发器，数据即可长期保留。动态RAM用电容来保存信息。电容漏电，需要刷新。每隔2ms充电一次，须“刷新”电源。A0A1D0D1ER0R1R2R3译码器图只读存储器原理图①一条横线相当于一个存储单元，一条竖线相当一位。②译码器的输出，在任一时刻，只有一根线为高电平只读存储器ROM(readonlymemory)ROM用来存储程序数据。一旦程序数据写入之后，不能改变。下图是4*2ROM内部电路原理图。可擦除的可编程的只读存储器EPROMEPROM芯片顶部开有一个圆形的石英窗口，用于紫外线透过、以擦除芯片中保存的信息使用专门的编程器（烧写器）对EPROM芯片进行编程编程后，应贴上不透光的封条出厂时，每个基本存储单元存储的都是信息“1”，编程实际上就是将“0”写入某些基本存储单元EPROM芯片2716存储容量为2K×824个引脚：11根地址线A10～A08根数据线DO7～DO0片选/编程CE/PGM读写OE编程电压VPPVDDA8A9VPP-OEA10CE/PGMO7O6O5O4O3123456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2VssFlash存储器由Intel公司于1988年首先推出的。所谓Flash可译为快闪或闪存，实际上Flash存储器就是可用电快速擦写的非易失性存储器，简称Flash。快速是相对于E2PROM而言的。从原理上看，Flash存储器属于ROM型存储器，但它可以随时改写所存信息；从功能上看，它又相当于RAM，使以前对RAM与ROM的划分变得模糊起来。但从存取速度和擦写的寿命两方面来衡量，它还赶不上DRAM，因此，在计算机中，目前它还是作为ROM的一种来应用。在工业控制与办公设备等领域，Flash可用来作为在线改写的ROM。铁电存储器FRAM是一种非易失性存储器新技术。它克服了Flash存储器的擦写速度慢，以及可写次数寿命不太长等缺点而倍受人们的关注。1992年美国Ramtron公司首先推出了高位数的产品。FRAM有可能成为一种理想的存储器。FRAM的结构与DRAM有些相像，但其对数据的存储不是利用电容对电荷的存储，而是利用铁电电容被电场极化后的双稳特性，来表示数据为“1”或为“0”。